双光束分光光度计研究

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《信息技术杂志》2015年第二期

1双光束分光光度计的硬件电路设计

1.1信号采集处理电路设计信号采集处理电路总体设计思路为被调制的光信号投射在光电倍增管上，转换成相应的电信号，再把采集到的电信号做一些必要的处理之后进行数据分析。信号采集处理电路图如图3所示，光电倍增管是一种高阻抗电流器件，所以前置放大器采用高阻抗输入，以转换成电压信号，并进行适度的线形放大。被放大了的模拟信号经过A/D转换成数字量，最终通过微型计算机进行适当的数据处理［4］。在双光束分光光度计中需要两个采集放大板，一个是没有经过样品的信号，称为参考信号;另一个是经过样品被吸收后的信号，称为样品信号;这也正是双光束名称的由来。通过光电二极管(PD)对光信号进行采集，光电二极管和普通二极管相比，它的PN结面积相对比较大，目的是方便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作，当没有光照射的时候，反向电流很微弱，被称为暗电流;当有光照射时，反向电流迅速增大到几十微安，被称为光电流，光越强则光电流越大。光电流流经电阻之后，电流信号就转换为电压信号OUTPUT，该信号经过CA3140和OP07这两个集成运算放大器之后，最终输出信号ADC_CHA和ADC_CHB已经满足了AD转换电路的要求。这两个信号最后都送到AD转换电路。模拟信号转换为数字信号采用的是24位高精度模数转换器ADS1255，其中模拟电压输入为5V，数字电压输入为3.3V，VREF25提供的是独立的2.5V参考电压，经过稳压二极管和电容来保证模数转换的精度;XTAL1和XTAL2是晶振输入信号，选用的晶振为7.68MHz，所以其两端的电容选用18pF;SPI_CS片选输入信号、SPI_CLK时钟输入信号、SPI_MOSI输入数字信号都是来自主芯片ARM的控制信号，主芯片通过它们来控制其工作情况;ADS_SPI_DRDY转换数据状态位和ADC_SPI_MISO输出数字信号是输给主芯片ARM的信号，正是把采集到的信号转换为数字量供系统分析;SYNCP/DWN、RESET、D0和D1不接信号，其中SYNCP/DWN、RESET直接接3.3V将它们拉高，D0和D1直接悬空即可。

1.2分析显示系统的设计主芯片板选用的是STM32F103RBT6，它是32位基于ARM核心的微控制器［5］。ARM内核是专门设计于满足集成行高、低功耗、实时应用、具有竞争性价格优势。该芯片最高工作频率可达到72MHz，具有512k字节的闪存以及64k字节的SRAM，丰富的片上资源大大简化了系统硬件，同时大大降低了系统功耗。STM32F103具有5个USART串行通信接口，内置分数波特率发生器，发送与接收共用可编程波特率，最高达4.5Mbit/s，数据字的长度、停止位均可设置。此外，灵活的静态存储器控制器FSMC能够通过同步或异步存储器与16位PC卡接口相连，便于外扩存储器和液晶显示屏。图4主芯片连接电路主芯片连接电路图如图4所示，与STM32F103RBT6连接的有两个晶振输入，与OSC_IN和OSC_OUT连接的是8MHz的晶振输入，用于外部高频晶或PLL倍频用;与OSC32_IN和OSC32_OUT连接的是32.768kHz的晶振输入，用于外部低频晶振，也叫时钟晶振，用于系统待机或低功耗。BOOT0和BOOT1是决定STM32的启动模式，STM32的启动模式主要有三种，第一种为有用户闪存启动，这是正常的启动模式;第二种为从系统存储器启动，这种模式是是由厂家设定的;第三中模式为内置SRAM启动，主要是用于调试。对比一下，应该选择第一种模式即用户闪存启动，因此让BOOT1悬空BOOT0接地即BOOT1=X、BOOT0=1。JTAG0和JTAG1输入的是JTAG程序调试下载接口，这种下载模式断电后数据丢失，主要是用于程序调试使用;MAX232CSE是双通道的RS232驱动器及接收器，其中程序烧写也是通过该串口实现的，对于STM32来说高电平为+5V，低电平为0V，而计算机的RS232串口的高电平为－12V，低电平为+12V，因此需要MAX232CSE来转换一下;USB接口，由于通用串行总线(USB)是一种支持热插拔的系统，对静电特别敏感，因此在出口处连接了PR-TR5V0U2X低电容双轨到轨ESD(静电释放)保护二极管来保护电路，防止静电对系统产生影响;信号MTLR_RXD、MRLT_TXD与输出显示屏连接，实现人机对话。主界面能够进入系统设置和功能测试，功能测试主要包括光度测量、光谱测量、定量测量、动力学测量、多波长测量。开机后自动进入应用系统的欢迎画面，经过短时间等待及载入自检系统，各检测项目均无异常时进入初始化系统主界面，依次钨灯初始化、滤色片初始化、样品池初始化、寻找零极光位置、波长定位校准。之后就进入了测试界面，等待数据输入。

1.3步进电机控制系统设计步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的开环控制器件。步进电机的转速、位移分别取决于脉冲信号的频率和脉冲个数，即只要给电机加一个脉冲信号，电机就会转过一个步距角。由于具有这种线性关系，且只有周期误差而无累积误差等特点，所以在需要精确控制位置的领域用步进电机来控制［6］。本系统用四个步进电机进行位置控制，第一个步进电机用于控制挡板的位置，实现氘灯和钨灯的自动切换;第二个步进电机来控制滤色片的位置，实现对滤色片上多种颜色镜片的选择;第三个步进电机用于控制样品池的位置。第四个步进电机来控制准直镜、光栅、物镜的相对位置，实现对波长的选择。由STM32输出控制信号来调整四个步进电机的位置，步进电机连接电路图如图5所示，STM32输出的控制信号M1A—M1D、M2A—M2D、M3A—M3D、M4A—M4D电流比较小不能去直接驱动电机，所以需要ULN2803把这些信号放大之后再去驱动电机，经过ULN2803放大后对应的输出信号为M1AA—M1DD、M2AA—M2DD、M3AA—M3DD、M4AA—M4DD，就可以直接去驱动步进电机了，这些信号是连接到步进电机的转子线圈和定子线圈上来驱动电机，还有一根是电源线，所以连接到每个电机的线有五根。PDrv和PDet是来反映各个步进电机的运动位置，它是通过一个光点二极管来实现的，当电机运动到一定位置之后会把光电二极管前面的光挡住，这样就把电机的位置反馈给STM32，来确保电机能够精确定位。

1.4钨灯控制系统设计T_ONOFF、D_ONOFF分别控制钨灯和氘灯的信号，其中氘灯采用现成的氘灯电源来供电，所以只需把它的开关控制信号接到氘灯电源上即可。钨灯没有采用现成的电源，所以需要给它配置开关电路，钨灯的配置电路图如图6所示，选用的继电器是G5LA－112VDC，它的接点极数为1极，是单刀双掷开关，额定线圈电压为12VDC。1管脚直接接到12V电压，由它来给钨灯提供电源，2和5管脚之间接的是线圈，3管脚是常开开关，4管脚是常闭开关。当STM32输出的信号是高电平时，即让钨灯点亮的时候，PC817S1的发光二极管不亮，即5管脚悬空就没有电流流经线圈，是4管脚常闭开关在在工作，所以1、4直接导通输出12V电压给钨灯，若信号STM32输出的是低电平刚好相反。

2结束语

双光束分光光度计在食品、医疗、化工、冶炼等各行各业大量的使用，所以要求它的测量结果要精确统一，受外界影响要小。本文主要介绍了双光束分光光度计的硬件电路设计，选用STM32来实现系统控制和数据分析;选用光电倍增管来采集数据并转换为电信号;选用步进电机来控制光源的转换、滤色片、光栅的精准定位。

作者：易映萍王玮高玲玲陈建帅单位：上海理工大学光电信息与计算机工程学院